諸德宏，劉 成

(江蘇大學， 鎮(zhèn)江 212013)

0 引 言

現(xiàn)階段軌道交通用的牽引電機主要采用旋轉電動機和直線電動機2種。相較于傳統(tǒng)的旋轉電動機，直線電動機能夠產(chǎn)生直接的推力，不需要中間轉換機構，優(yōu)點顯著[1]。國內外已投入運行的直線電動機驅動線路中多采用感應直線電動機[2]，但感應直線電動機存在著漏磁較多，效率低等缺點。相較于感應直線電動機，永磁直線電動機具有更高的效率和功率因數(shù)[3]。但是，由于傳統(tǒng)永磁直線電動機的永磁體和電樞繞組分別安裝在短動子和長定子上，在需要長定子軌道交通系統(tǒng)中，將導致永磁直線電動機的成本增加且運行維護困難。

近年來，隨著新型永磁直線電動機的發(fā)展，雙凸極永磁電機(以下簡稱DSPM)[4]、磁通反向永磁電機(以下簡稱FRPM)[5]和磁通切換永磁電機(以下簡稱FSPM)[6]引起了人們廣泛的關注。這類電機將永磁體和電樞繞組都置于初級短動子上，而次級長定子僅由導磁鐵心組成，不僅具有感應直線電動機結構簡單的優(yōu)點，同時還具有永磁直線電動機較高的功率密度。因此，非常適用于城市軌道交通系統(tǒng)這類長定子領域。但是，由于永磁直線電動機的氣隙磁場僅由永磁體產(chǎn)生，該類電機的氣隙磁場強度恒定不變，無法以高速恒定功率運行，不能在較寬的工作范圍內保持高效率。

本文研究了一種具有較寬調速范圍的新型混合勵磁直線電動機(以下簡稱HELM)，該電動機采用混合勵磁方式，模塊化結構[7]，基于HELM的拓撲結構與工作原理，通過有限元方法分析了其電磁性能，并驗證其設計的合理性。

1 HELM拓撲結構

圖1為三相HELM的拓撲結構圖。其中圖1(a)為初級動子的一個模塊，該模塊由2個T形導磁鐵心夾著1塊永磁體與隔磁塊組成，每個T形導磁鐵心上都纏繞有電樞繞組和直流勵磁繞組。圖1(b)為三相HELM的截面圖，A,B,C三相結構相同。其中A相由2個模塊組成，2個模塊之間由隔磁塊進行隔離，A相電樞線圈由A1,A2,A3,A44個線圈串聯(lián)而成。為使在同一個模塊上的2個電樞線圈里匝鏈的磁通極性相同，纏繞在該模塊的2個T形導磁鐵心上的電樞線圈需反向串聯(lián)。同時，由于相鄰模塊之間永磁體交替充磁，A相2個模塊上永磁體的磁化方向相反，因此2個模塊上的直流勵磁線圈纏繞方向相反，按圖1(b)串聯(lián)連接。

(a)單個模塊

(b)電機橫截面

三相HELM采用了模塊化的結構。A相2個模塊之間相距為λ1=(k±1/2)τs，其中k=2，τs是定子極間距，τs=τm×12/14，τm為動子極間距。相鄰兩相的2個模塊之間的距離為λ2=(j±1/m)τs，j為正整數(shù)，m為相數(shù)[8]。每相之間通過隔磁塊進行隔離，這種結構有利于減小端部效應，同時能夠減小高次諧波的影響，提高了反電動勢的正弦度。采用混合勵磁的方式，電機的氣隙磁場由永磁磁場與電勵磁磁場共同組成，通過改變直流勵磁繞組中電流的大小與方向能夠實現(xiàn)對電機主磁場的靈活調節(jié)與控制[9]。電機的詳細尺寸，如表1所示。

表1 電機結構參數(shù)初值

2 運行原理

圖1(b)的HELM工作時，永磁體與直流勵磁繞組共同產(chǎn)生磁場，A，B，C三相結構相同。以A相為例，在A相中，一個模塊上的2個電樞線圈通過反向纏繞，產(chǎn)生大小相等、極性相同的磁鏈，同相中的另一個模塊由于永磁體的磁化方向相反，所以將產(chǎn)生極性相反的磁鏈。圖2為HELM在不同電角度時，A相2個模塊的磁場分布情況。圖2(a)為磁通負的最大位置，圖2(b)為第一平衡位置，圖2(c)為磁通正的最大位置，圖2(d)為第二平衡位置。同相中的2個模塊在空間上存在著180°相位差。因此，纏繞在這2個模塊上的線圈具有互補特性[10]。

(a) θ=0

(b) θ=90°

(c) θ=180°

(d) θ=270°

圖3展示了HELM磁通調節(jié)原理。永磁體與直流勵磁繞組共同產(chǎn)生磁場，通過改變直流勵磁繞組中電流的大小與方向，從而調節(jié)通過電樞繞組的磁通。圖3(a)中電勵磁與永磁勵磁所產(chǎn)生的磁場同向，此時為增磁作用；圖3(b)中，改變直流勵磁繞組電流后，電勵磁與永磁勵磁產(chǎn)生的磁場方向相反，此時為弱磁作用。

(a) 增磁 (b) 弱磁

圖3磁通調節(jié)原理

3 電磁性能

3.1 磁場分布

圖4分析了HELM在空載情況下的磁場分布。分析過程中，考慮到永磁體端部外的漏磁情況，需要在電機外部增加一個空氣區(qū)域。由圖4可知，在動子齒與定子齒重合度越高的位置，其磁力線分布越密集，同時漏磁通越小。各模塊都存在著少量漏磁，但各模塊之間干擾較小，電機具有較好的隔磁能力。

圖4磁場分布

3.2 空載磁鏈、反電動勢、定位力

本文中的電機勵磁磁場由永磁體與直流勵磁繞組共同產(chǎn)生。當勵磁電流密度If=4A/mm2，電機空載時，圖5(a)為電機A相繞組匝鏈的磁鏈。由圖5(a)可見，線圈A1+A2與線圈A3+A4都為單極性，但是合成后的A相磁鏈為雙極性，且由于A相2個模塊上的線圈在空間上相差180°，所以線圈A1+A2與線圈A3+A4具有互補特性，合成后的A相磁鏈正弦度較高。圖5(b)為勵磁電流密度If=12A/mm2時的三相磁鏈?？梢娎@組磁鏈高度正弦，且通過增大直流勵磁繞組中的電流密度，繞組磁鏈幅值變大，增磁效果顯著。

(a) 線圈磁鏈與相磁鏈

(b) 三相空載磁鏈

圖5空載磁鏈

圖6(a)為A相反電動勢，可見A相2個模塊中線圈A1+A2里的反電動勢波形與線圈A3+A4里的反電動勢波形中都含有較大的諧波分量。由于通過線圈A1+A2的反電動勢與通過線圈A3+A4的反電動勢幅值幾乎相同，但高次諧波分量的相位角相反，所以當通過A相2個模塊線圈中的反電動勢串聯(lián)疊加后，A相的反電動勢波形中的高次諧波分量較少，波形更接近正弦波。B，C相與A相結構相同，其反電動勢波形相同。三相反電動勢波形如圖6(b)所示。

(a) A相反電動勢

(b) 三相反電動勢

圖6反電動勢

A，B，C三相模塊疊加合成后的定位力，如圖7所示，因每相模塊之間存在著120°的相位差，最終總的定位力被大幅削弱，幅值較小。

圖7定位力

3.3 調磁性能

為研究電機調磁性能，可以定義調磁系數(shù)kf:

kf=(ΦHE-ΦPM)/ΦPM×100%

式中：ΦHE是由直流勵磁繞組與永磁體共同產(chǎn)生的相磁通;ΦPM是僅由永磁體產(chǎn)生的相磁通。當kf>0時，直流勵磁繞組與永磁體所產(chǎn)生的磁場同向，起到增磁作用；當kf<0時，直流勵磁繞組與永磁體所產(chǎn)生的磁場反向，起到弱磁作用；當kf=0時，即ΦHE=ΦPM，此時只有永磁體產(chǎn)生磁場，直流勵磁繞組中所通電流為0。

圖8為在不同直流勵磁電流下的A相磁鏈與A相反電動勢，展示了電機的調磁性能?？梢夾相磁鏈與反電動勢波形都是高度正弦的。當直流勵磁電流密度在-12～+12A/mm2變化時，調磁系數(shù)kf的范圍為-75%～+60%，實現(xiàn)了對電機氣隙磁場的調節(jié)與控制。采用混合勵磁使得電機能夠進行弱磁與增磁控制，電機具有較寬調速范圍。

(a) A相磁鏈

(b) A相反電動勢

圖8電機調磁性能

4 結 語

本文研究了一種新型模塊化HELM，通過有限元軟件對其結構、工作原理以及電磁特性進行了分析，得出以下結論：

1)初級動子采用模塊化結構，每相由2個磁路互補的模塊組成，2個模塊中的線圈串聯(lián)構成一相繞組，有效地減小了相磁鏈與反電動勢中的高次諧波，確保了三相反電動勢呈正弦分布。每相之間存在著120°的相位差，使得整個電機合成的定位力較小。同時各模塊之間干擾較小，電機具有較強磁隔離能力，容錯能力強。

2)采用混合勵磁的方式，保證電機具有較高效率的同時，減小了永磁體的用量。通過控制直流勵磁繞組中的電流，能夠對電機的氣隙磁場進行控制與調節(jié)，實現(xiàn)對電機弱磁與增磁的控制。

3)電機整體結構簡單、緊湊、易于生產(chǎn)加工、便于運行維護，具有次級定子結構簡單、反電動勢正弦、定位力較小、調速范圍寬等特點，適用于軌道交通等長定子應用場合。